КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по физике для студентов 1-2 курсов специальностей технического профиля СПО Раздел 2. Постоянный ток

,

где l – длина свободного пробега электрона.

Электрон под действием электрических сил поля

,

приобретает направленное движение с некоторым постоянным ускорением

.

Если среднее время свободного пробега есть , то электрон приобретает среднюю скорость дрейфа:

.

Однако электрон не может беспрепятственно продвигаться сквозь кристаллическую решетку. «Сталкиваясь» непрестанно с ионами, электрон отдает им кинетическую энергию своего направленного движения и вновь приобретает ее за счет энергии источника. Этот процесс повторяется снова и снова: в промежутках между ионами электрон разгоняется полем, затем, «сталкиваясь» с ионами, теряет скорость своего направленного движения, вновь разгоняется и т. д.

Таким образом, течение электрического тока, если его рассматривать в микрообъемах и за очень малые промежутки времени, представляется нам скачкообразным. Однако на расстояниях, неизмеримо больших, чем постоянная решетки, и за отрезки времени, неизмеримо большие, чем время свободного пробега электронов, перемещение электронов вдоль проводника можно считать равномерным, происходящим так же, как и движение тела под действием постоянной силы, равной силе трения. Только вместо трения здесь имеет место механизм непрестанных «столкновений» электронов с ионами.

Для плотности тока получается:

,

а это есть закон Ома, так как  = const, если  не зависит от напряженности поля . Поскольку скорость дрейфа v много меньше средней скорости беспорядочного движения u, то это условие выполняется.

Из последнего уравнения следует, что электрическая проводимость не зависит от знака заряда, как это и должно быть.

Так как время свободного пробега уменьшается при росте u, то проводимость при этом должна уменьшаться, что отвечает действительности.

При движении электрона в течение времени  со скоростью поле совершает над ним работу, равную

.

При концентрации электронов n над ними совершается работа

.

Но так как скорости распределены по направлениям совершенно беспорядочно, то второе слагаемое обращается в нуль.

За 1 с происходит соударений каждого электрона с решеткой металла. Поэтому в единице объема выделяется мощность

.

Таким образом, мы пришли к закону Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

5.3. Связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов.

К этим успехам классической теории можно добавить еще получаемый из нее вывод о пропорциональности между электрической проводимостью и теплопроводностью (закон, ранее установленный экспериментально Видеманном и Францем). Было получено, что отношение коэффициента теплопроводности K к удельной проводимости  равняется

,

где k – постоянная Больцмана. Положив , получим закон Видемана- Франца: отношение теплопроводности, к электропроводности для всех металлов должно быть одинаково и должно расти прямо пропорционально абсолютной температуре

.

Теоретическое значение константы закона Видемана–Франца a удовлетворительно согласовалось с экспериментальными значениями.

5.4. Недостатки классической электронной теории проводимости металлов.

Однако, несмотря на успехи классической электронной теории проводимости металлов Друде–Лоренца, она не смогла объяснить целого ряда явлений, наблюдающихся на опыте.

а) Экспериментально установлено, что в довольно большом интервале температур удельное сопротивление пропорционально абсолютной температуре (). Теория же Друде–Лоренца давала, что .

Таким образом, классическая электронная теория не объяснила температурной зависимости удельного сопротивления металлов.

б) Возникли и трудности при оценке средней длины свободного пробега электронов в металле. Для того чтобы из теории Друде–Лоренца получить такие значения удельной электрической проводимости металла, которые не расходились бы с опытными данными, приходится принимать среднюю длину свободного пробега электронов в сотни раз большей, чем период решетки металла. Иными словами, приходится предположить, что электрон проходит без соударений с ионами решетки сотни межузельных расстояний. Такое предположение непонятно в рамках классической электронной теории Друде–Лоренца.

в) Еще большие затруднения возникли при подсчете теплоемкости металлов. Молярная теплоемкость металла должна складываться из теплоемкости ионной кристаллической решетки и теплоемкости электронного газа. Однако вычисленная таким образом теплоемкость превышала найденную из опытов Дюлонга и Пти теплоемкость в полтора раза. Если же при расчетах не учитывать теплоемкость электронного газа, то получается удовлетворительное согласие с опытными данными. Но такое пренебрежение теплоемкостью электронного газа абсолютно непонятно в рамках классической теории электропроводности, согласно которой, электронный газ ввиду своей высокой концентрации должен обладать большой величиной теплоемкости.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какой вывод следовал из результатов опыта Рикке?

2. Какие выводы следовали из опытов Стюарта и Толмэна?

3. Какие гипотезы положены в основу классической электронной теории проводимости металлов?

4. Объясните на основании электронной теории закон Ома и закон Джоуля–Ленца.

5. Какова связь теплопроводности и электропроводности в металлах?

6. В чем состоят недостатки классической электронной теории проводимости металлов?

Лекция № 6. Зонная теория.

Цель: ознакомиться с основами зонной теории твердых тел.

Основные понятия:

Квантовая (волновая) механика – механика, описывающая законы движения микрочастиц с учетом их двойственной (корпускулярно-волновой) природы.

Спин – собственный момент количества движения частицы. Имеет квантовую природу и не связан с какими-либо перемещениями частицы.

Принцип Паули – один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому две частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном состоянии.

Уровни энергии – возможные значения энергии квантовых систем (микрочастиц).

Энергетическая зона – система близких друг к другу дискретных уровней энергии.

6.1. Основы зонной теории твердых тел.

Рассмотренные выше противоречия указывают на то, что классическая электронная теория, представлявшая электрон как материальную точку, подчинявшуюся законам классической механики, не учитывала некоторых специфических свойств самого электрона, которые еще не были известны к началу XX века. Эти свойства были установлены позднее при изучении строения атома, и в 1924 г. была создана новая, так называемая квантовая или волновая механика движения электронов.

Коротко остановимся на современных представлениях о строении атома.

Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны. Орбиты электронов не произвольны, а строго определенны. На каждой орбите может одновременно находиться не более двух электронов. Однако и эти электроны не тождественны в своих свойствах. Установлено, что электроны обладают собственным, т. е. внутренне им присущим, моментом количества движения – спином (от английского слова «spin»—«веретено»). Электроны, движущиеся по одной орбите, должны отличаться направлением спина, т. е. также находятся в различных состояниях.

Таким образом, электроны, образующие электронную оболочку атома, подчиняются следующему закону: никакие два электрона не могут находиться в одном и том же состоянии. Этот закон, получивший название принципа Паули, оказался совершенно универсальным и применимым не только к электронам в атомах, но и к любым системам электронов.

Построим график энергий электронов для разных орбит какого-либо сложного атома. Наличие на данной орбите электрона— одного или двух — будем отмечать условно точками (острие стрелки спина, направленной на нас) и крестиками (оперение стрелки, направленной от нас) как это показано на рисунке.

Самым важным для дальнейшего является то обстоятельство, что качественно график уровней энергии системы электронов твердого тела имеет такой же вид. Согласно принципу Паули состояния электронов в любой системе должны различаться (двух электронов в одном и том же состоянии быть не может), а различным состояниям будут отвечать, вообще говоря, хоть сколько-нибудь различные энергии.

При образовании твердого тела из отдельных атомов и молекул происходит следующее. Состояния электронов, движущихся вокруг отдельных ядер на внутренних электронных оболочках, практически не меняются. Что же касается внешних электронных оболочек, то они в результате сближения отдельных атомов и возникающего при этом сильного взаимодействия между электронами перестраиваются. В одних случаях электроны продолжают удерживаться молекулами или ионами, которым они принадлежали. В этом случае подвижность электронов ограничена, и вещество представляет собой твердый диэлектрик, не способный проводить электрический ток, а лишь поляризующийся в электрическом поле. В других случаях электроны (валентные), как уже отмечалось выше, освобождаются, приобретают подвижность в веществе. В этом случае последнее представляет собой проводник – металл.

Особенно простую и наглядную картину электрических свойств твердых тел можно получить с помощью графиков энергии электронов в твердом теле, подобных графику энергий электронов в атоме.

Как и в случае отдельных атомов, значения энергии электронов в твердом теле образуют системы полос, в которых возможные значения энергии составляют множество очень близко расположенных уровней энергии (такие полосы называют разрешенными зонами), прерываемых полосами, в которых возможные для электронов значения энергии отсутствуют (такие полосы называют запрещенными зонами). Энергия, отвечающая переходу электрона с одного уровня на другой, соседний, внутри полосы совершенно ничтожна, во всяком случае много меньше средней кинетической энергии атомов кТ при комнатной температуре. Поэтому изменение состояния электрона внутри такой полосы можно было бы считать непрерывным, если бы не важное, отмеченное уже выше, обстоятельство – принцип Паули. Число различных состояний в случае их непрерывного изменения бесконечно велико. При ступенчатом же изменении состояний, т. е. при дискретной их последовательности, число состояний в каждой полосе конечно, а, следовательно, в соответствии с принципом Паули и число электронов, способных находиться в этих состояниях, также конечно.

Рассмотрим случай, когда нижние разрешенные зоны полностью укомплектованы электронами, ширина запрещенной зоны значительна (кТ), а над нею расположена зона, в которой электронов нет. Вещество, описываемое таким распределением электронов, есть диэлектрик. Действительно, состояние системы электронов может измениться только в том случае, если часть из них перейдет из нижних разрешенных энергетических зон в верхнюю разрешенную, но не занятую электронами зону. Но для этого нужна большая энергия, превышающая энергию теплового движения (кТ) или энергию, которую электрон может приобрести во внешнем поле. Следовательно, состояния электронов, ограниченные сверху широкой запрещенной зоной, меняться не могут. В частности, электроны не могут приобрести под влиянием слабого внешнего поля добавочную скорость (энергию), отвечающую возникновению тока проводимости.

Рассмотрим теперь случай, когда в верхней занятой зоне остаются незанятые энергетические уровни. Как мы увидим сейчас, этот случай отвечает металлам. Будем называть верхнюю, свободную от электронов часть разрешенной зоны зоной проводимости. Переход электронов на уровни этой части разрешенной зоны связан с приобретением ими добавочной энергии (скорости), обусловливающей прохождение электрического тока. Начнем рассмотрение со случая, когда вещество обладает температурой, равной абсолютному нулю. Соответствующее этому случаю распределение электронов показано на рисунке а: все нижние энергетические уровни заняты парами электронов с противоположными спинами. При T=0°К энергия всей системы, в том числе и электронов, должна быть наименьшей из всех возможных. Хотя электроны, расположенные на верхних уровнях, и обладают сравнительно большой энергией, но перейти в состояние с меньшей энергией они не могут: ведь эти состояния уже заняты другими электронами. А появление двух или нескольких электронов в одном и том же состоянии невозможно (принцип Паули). Энергию электронов, занимающих самый высокий энергетический уровень (при T=0°К), мы будем обозначать . Ее величина по порядку равна 10^-11 эрг (1 эрг = 10^-7 Дж). Такого же порядка величины и средняя кинетическая энергия электронов при абсолютном нуле температуры. Для сравнения отметим, что средняя кинетическая энергия молекул одноатомного газа при комнатной температуре (T=300°К) составляет всего лишь 10^-14 эрг. Следует твердо помнить, что огромная кинетическая энергия электронного газа в металлах обусловлена принципом Паули и имеет нетепловое происхождение. Ее нельзя отнять за счет понижения температуры: ведь движение электронов в атомах также не прекращается при приближении вещества к T=0°К. Следовательно, рассмотренный нами электронный газ в металлах при абсолютном нуле дает нам еще один пример того, что материя без движения немыслима. Абсолютный нуль для любых систем (диэлектриков, металлов и т. д.) означает не полное отсутствие движения, но состояние с минимальной возможной энергией, которую уже нельзя уменьшить за счет охлаждения. С повышением температуры колеблющиеся ионы решетки начинают передавать электронам энергию и переводить часть электронов на более высокие энергетические уровни. Однако даже при комнатных температурах средняя энергия теплового движения ~kT мала по сравнению со средней энергией электронов при абсолютном нуле , и эта порция энергии достаточна лишь для перевода электрона на один из ближайших энергетических уровней. Рассматривая электроны, движущиеся на низших уровнях, мы видим, что все ближайшие более высокие уровни полностью заняты электронными парами. Нижний электрон мог бы перейти на более высокий энергетический уровень, лишь перепрыгнув все вышележащие, которые заняты. Но для такого большого энергетического скачка энергии порядка kT недостаточно. Поэтому поглощать тепловую энергию могут лишь электроны, находящиеся на наиболее высоких уровнях, как это показано на рисунке б, а таких электронов в металле сравнительно мало. Т. о., подавляющая часть электронов «приморожена» к своим энергетическим уровням, и все они не способны принимать добавочную энергию. В этом обстоятельстве и состоит разгадка ничтожно малой теплоемкости электронного газа. При не слишком высоких температурах воспринимать добавочную энергию («нагреваться») могут лишь очень немногие электроны, энергетические уровни которых расположены в непосредственной близости от свободных уровней. Для их перехода на более высокий свободный уровень нужна лишь энергия ~kT, и такой переход становится возможным. Но при обычных температурах относительное число таких электронов столь мало, что их доля в общей теплоемкости тела остается практически незаметной.

6.2. Успехи зонной теории металлов.

Зонная теория смогла дать ответы, на вопросы, оказавшиеся неразрешимыми в рамках классической электронной теории:

а) и б) В рамках зонной теории получается, что температурная зависимость удельного сопротивления  может определяться лишь длиной свободного пробега l. При абсолютном нуле температуры электроны движутся сквозь весь кристалл, не испытывая столкновений. Следовательно, при

.

Причиной этого является волновая природа электрона. При T=0°К ионы металла образуют неподвижную кристаллическую решетку, и электронные волны, огибая ионы, проходят через весь кристалл, не отклоняясь в стороны.

С повышением температуры ионы металла приходят в тепловое колебательное движение, нарушающее идеальную правильность кристаллической решетки. То сближаясь, то удаляясь друг от друга, ионы создают «флуктуации» плотности, на которых происходит рассеивание электронных волн, соответствующее соударениям электронов с кристаллической решеткой. Чем выше температура, тем интенсивнее и чаще возникающие флуктуации кристаллической решетки и тем короче длина свободного пробега электрона. Согласно вычислениям

в полном соответствии с опытом.

в) Найденная методами зонной теории теплоемкость электронного газа получилась равной

,

где  – некоторый коэффициент. При обычных температурах это весьма малая величина, так что молярная теплоемкость металла примерно равна теплоемкости кристаллической решетки, что согласуется с опытными данными.

Т. о., современная теория металлов, учитывающая волновые свойства электрона, разъясняет противоречия, возникающие в классической электронной теории, и правильно предсказывает целый ряд новых фактов.

Вопросы для самоконтроля:

1. Сформулируйте принцип Паули.

2. Как, согласно квантовой теории, распределены электроны проводимости металлов по энергиям при Т = 0 °К? Как изменяется это распределение при повышении температуры?

3. Какие зоны называются разрешенными и какие запрещенными?

4. В чем состоит отличие металлов от диэлектриков согласно зонной теории?

5. Как квантовая теория разрешает противоречия между данными экспериментов и результатами классической теории электропроводности металлов?

Тема 3. Ток в жидкостях

Лекция № 7. Электролиз и электролитическая диссоциация.

Цель: выяснить природу и вывести законы электропроводности жидкостей.

Основные понятия:

Электролит – вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы.

Электролиз – совокупность процессов, происходящих при прохождении постоянного электрического тока через электролит с погруженными в него электродами.

Электролитическая диссоциация – процесс распада электролита на ионы при его растворении или плавлении.

Электрохимический эквивалент вещества – количество вещества, которое выделяется на электроде при прохождении через электролит единичного заряда.

Гальванопластика – процесс осаждения слоя металла на поверхности какого-либо предмета.

Гальваностегия – процесс покрытия одного металла другим, более устойчивым в механическом и химическом отношении.

7.1. Электролиз. Электролитическая диссоциация.

Вещества, проводящие ток и при этом разлагающиеся, называют проводниками второго рода, или электролитами, а самое разделение их электрическим током – электролизом (от греч. 1уо – разлагаю). К электролитам относятся растворы кислот, щелочей и солей как в воде, так и в других растворителях. Кроме того, электролитической проводимостью обладают расплавленные соли.

Не следует, однако, думать, что электролитическая проводимость всегда связана с расплавленным или растворенным состоянием вещества. Медь, будучи расплавлена, остается проводником первого рода (проводя ток, она при этом химически не изменяется). Прохождение тока через раствор натрия в жидком аммиаке также не сопровождается процессом разложения. С другой стороны, некоторые соли уже в твердом состоянии, особенно при нагревании, обнаруживают электролитическую проводимость.

Наиболее наглядный пример электролиза твердого тела представляет собой электролиз стекла (сплав натриевой и кальциевой солей кремнекислоты). Анодом (А, рис.) является амальгама (ртутный раствор) натрия, находящаяся в нагретом до 300C фарфоровом тигле, катодом (К) — алюминиевая проволока; g – стеклянная трубка с очень разреженным гелием. Мы имеем, следовательно, цепь: алюминиевый катод – разреженный гелий – нагретое стекло – амальгама натрия (отметим, что при низких температурах стекло – изолятор, а при высоких – проводник электролитического типа). Вследствие большого сопротивления этой цепи источник тока должен давать напряжение не менее 200 В. Как только цепь замкнута, наличие в ней тока обнаруживается свечением гелия наполняющего трубку, а разложение стекла – выделением на внутренней стенке трубки одной из составных частей стекла, натрия, в виде блестящего металлического зеркала (на рис. отмечено пунктиром). Отметим, что электролитической проводимостью обладает именно стекло (разреженный гелий обладает иным типом проводимости).

При электролитической проводимости носителями тока являются ионы. В электролитических растворах расщепление молекул на ионы производится действием растворителя. Каждая полярная молекула растворенного вещества находится в окружении молекул растворителя. Если молекулы растворителя являются также полярными, они будут испытывать вблизи молекулы растворенного вещества ориентирующее действие создаваемого ею электрического поля. Поэтому молекулы растворителя повернутся к положительно заряженной части молекулы растворенного вещества своими отрицательными «концами», а к отрицательно заряженной части – положительными «концами» (рис.; сплошным контуром обведена молекула растворенного вещества, пунктирными контурами – молекулы растворителя). При таком расположении молекул растворителя создаваемое ими поле ослабляет связь между разноименными ионами молекулы растворенного вещества, вследствие чего эта связь может оказаться разорванной за счет энергии теплового движения. В этом случае молекула разделяется на два или большее количество ионов разных знаков. Это явление называется электролитической диссоциацией.

В расплавах и твердых телах при высоких температурах расщепление молекул на ионы (электролитическая диссоциация) происходит под действием температуры (естественно, что никаких «растворителей» в этом случае нет).

Отметим что во всех случаях распад на ионы (электролитическая диссоциация) происходит до включения внешнего электрического поля, которое лишь вызывает упорядоченное движение ионов.

Разность потенциалов на электродах, погруженных в электролит, определяет напряженность электрического поля в электролите и заставляет ионы с отрицательным зарядом (анионы) передвигаться к аноду, с положительным зарядом (катионы) – к катоду. Скорость их движения зависит от природы ионов, от вязкости окружающей среды и от напряжения тока. Чем выше напряжение, тем значительнее скорость ионов. При высоком напряжении и малом удалении друг от друга электродов скорости ионов достигают таких размеров, что возникает искровой разряд. В этом случае свободные ионы, устремляясь к электродам, приобретают столь большую кинетическую энергию, что все встреченные на своем пути молекулы они ударами разбивают на ионы, что влечет за собой резкое увеличение электропроводности и соответственно стремительное возрастание тока. Если разность потенциалов на электродах сравнительно невелика, процесс перенесения электричества протекает менее бурно, соударение ионов с молекулами не вызывает их диссоциации и проявляется только в выделении тепла.

Пусть идет электролиз СиС1₂ (хлорной меди). К катоду стремятся электроны по металлической цепи и сюда же подходят ионы из раствора электролита. Ион Си⁺⁺ есть атом меди, лишенный двух электронов; получая их от насыщенного электронами катода, ион Си^{+ +} превращается в незаряженный атом металла. Обозначая свободный электрон через е, мы можем написать реакцию на катоде в такой форме:

Cu⁺⁺+2e=Cu.

С1^– – ионы, имеющие избыточные электроны, притягиваются анодом и передают ему свои избыточные электроны, превращаясь в незаряженные атомы хлора:

2С1^–=2С1 + 2е.

Эта нейтрализация ионов на поверхности электродов является необходимым звеном в прохождении тока через гальваническую цепь, так как иначе в электродах и вблизи них в электролитическом растворе скопились бы громадные заряды, противодействующие дальнейшему течению тока.

7.2. Закон Ома.

При движении в электролите ион испытывает силу сопротивления, которая в случае установившегося движения пропорциональна скорости иона. На этом основании ион в электролите можно характеризовать подвижностью b – величиной дрейфовой скорости, приобретаемой ионом под действием постоянного электрического поля Е, равного единице. Подвижности положительных и отрицательных ионов разные. Обозначая их через b⁺ и b^–, а установившиеся скорости ионов – через и , можем написать

, .

Что касается концентрации, то она для положительных и отрицательных ионов одинакова, так как раствор электролита остается электрически нейтральным (точнее, квазинейтральным), и равна n, где n – концентрация нейтральных молекул растворенного вещества, а  – степень диссоциации. Поэтому плотность тока в электролите определится выражением

.

Так как заряд иона по абсолютной величине равен ze, где е – элементарный заряд, a z – валентность иона, то

.

Данное выражение справедливо лишь на некотором удалении от электродов. В непосредственной близости от электродов ток создается ионами только одного знака: анионами вблизи анода и катионами вблизи катода. Отсюда для удельной электропроводности электролита получаем

.

Данная величина не зависит от . Следовательно, плотность тока в электролитах пропорциональна напряженности поля. Это означает, что для электролитов справедлив закон Ома

.

7.3. Закон Фарадея.

Прямым следствием процесса электролиза является накопление у электродов продуктов химического разложения электролита. Эти продукты разложения электролита могут или оставаться в растворенном состоянии, или отлагаться на электродах, или же выделяться, как при разложении воды, в виде газов.

Количество веществ, выделяющихся при электролизе на электродах, определяется законом, который был экспериментально установлен в 1833 г. Фарадеем: масса m выделенного на каждом электроде вещества пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

.

Коэффициент пропорциональности k называют электрохимическим эквивалентом вещества. Он равен отношению массы вещества, выделившегося на электроде при электролизе, к заряду, прошедшему через электролит.

Физический смысл закона Фарадея можно понять, зная механизм ионной проводимости и электролиза. Чем большее количество электричества пройдет через электролит, тем большее число ионов подойдет к электродам. Положительные ионы при соприкосновении с катодом получают недостающие электроны и осаждаются на катоде в виде нейтральных атомов. Отрицательные ионы при соприкосновении с анодом отдают лишние электроны и осаждаются на аноде. Каждый осаждающийся на электроде ион переносит с собой некоторый электрический заряд. Следовательно, полный заряд, переносимый всеми ионами, строго пропорционален полному количеству ионов, осевших на электродах, т. е. массе выделяющегося вещества.

7.4. Применения электролиза.

Электролиз находит самые разнообразные технические применения. Охарактеризуем вкратце некоторые из них.

1. Гальванопластика. В 1837 г. Б. С. Якоби применил электролиз для изготовления металлических слепков с рельефных моделей. Модель из воска или какого-либо другого пластического материала покрывается для создания проводящего слоя графитовым порошком и затем включается в качестве катода при электролизе. Электролитом служит раствор соли, содержащей металл, из которого хотят получить слепок. Металл отлагается на катоде в виде слоя, точно отражающего рельеф модели. Полученный слепок легко отделяется от катода. Таким способом иногда изготовляются типографские клише.

2. Гальваностегия. С помощью электролиза наносят на поверхность металлических изделий тонкий слой другого металла. Это делается с декоративными целями (золочение, серебрение, платинирование), а также для создания антикоррозионных покрытий (никелирование, хромирование, кадмирование и т. п.).

3. Электрометаллургия. Путем электролиза расплавленных руд получают алюминий, натрий, магний, бериллий и некоторые другие металлы. Например, сырьем для получения алюминия служат обычно бокситы – минералы, содержащие глинозем (А1₂О₃). В качестве электродов применяются угольные пластины. Руда поддерживается в расплавленном состоянии за счет тепла, выделяемого при прохождении тока.

Электролиз применяют также для рафинирования (т. е. очистки) металлов. Для этого пластина из очищаемого металла включается в качестве анода соответствующей электролитической ванны. Электролитом служит раствор соли очищаемого металла. При надлежащем выборе напряжения выделяться на катоде будет только данный металл, а примеси выпадут в виде осадка. Таким путем получают, например, очень чистую медь, которая называется электролитической.

4. Электролитическая полировка. Количество вещества, осаждающегося на электроде или переходящего с электрода в раствор, пропорционально плотности тока. У выступов, как мы знаем, напряженность поля Е больше, следовательно, в этих местах больше и плотность тока; во впадинах плотность тока, напротив, бывает меньше. Поэтому, если изделие с шероховатой поверхностью сделать анодом соответствующим образом выбранной электролитической ванны, то с выступов будет переходить в раствор больше металла, чем из впадин, и шероховатости будут сглаживаться. На этом принципе основывается электрополировка металлов.

5. Получение тяжелой воды. Тяжелой водой (D₂O) называется вода, в которой атомы водорода замещены атомами дейтерия (D) – изотопа водорода с атомным весом 2. Тяжелая вода присутствует в небольшом количестве в обычной воде. Ионы D⁺ обладают меньшей подвижностью, чем ионы Н⁺. Поэтому в выделяющемся при электролизе газе тяжелый водород присутствует в относительно меньшем количестве, чем в исходной воде; в электролите же концентрация тяжелой воды повышается. Если производить электролиз достаточно долго, можно получить воду с высоким содержанием молекул D₂O.

6. Электролитические конденсаторы. Если в раствор борной щелочи (смеси борной кислоты и аммиака) погрузить алюминиевые электроды и приложить к ним напряжение, то анод быстро покрывается очень тонким непроводящим слоем окислов алюминия, и ток прекращается. Изолирующий слой поддерживается за счет электролиза и при изменении полярности исчезает. Таким образом, анод и электролит оказываются разделенными тончайшим слоем изолятора и образуют конденсатор весьма большой емкости (емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между обкладками).

В «сухих» электролитических конденсаторах электролит изготовляют в виде густой пасты и пропитывают им бумажную прокладку, помещаемую между обкладками. Подобные конденсаторы при небольших размерах обладают емкостью порядка сотен микрофарад. При их включении необходимо строго соблюдать обозначенную полярность. Если электрод с образовавшимся на нем слоем окисла подключить к минусу цепи (т. е. в обратном направлении), то изолирующий слой исчезнет и сила тока резко возрастет, что приведет к разрушению конденсатора. Каждый такой конденсатор бывает рассчитан на определенное предельное напряжение, при превышении которого изолирующий слой пробивается и конденсатор выходит из строя.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое электролиз?

2. Что называют электролитической диссоциацией?

3. Что такое дрейфовая скорость?

4. Как зависит удельное сопротивление электролитов от температуры и концентрации?

5. Сформулируйте закон Фарадея для электролиза. В чем его физический смысл?

6. Приведите примеры технического применения электролиза.

Тема 4. Ток в газах и вакууме

Лекция № 8. Электропроводность газов. Электрический ток в вакууме.

Цель: выяснить природу и вывести законы электропроводности газов и эмиссии; ознакомиться с основными видами газовых разрядов.

Основные понятия:

Ионизация – процесс образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из нейтральных атомов или молекул.

Рекомбинация – процесс образования нейтральных атомов или молекул из свободных электронов и положительных ионов либо из отрицательных и положительных ионов.

Работа ионизации – энергия, которую необходимо затратить для ионизации атома (молекулы) газа.

Потенциал ионизации – минимальная разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле, чтобы приобрести кинетическую энергию, достаточную для ионизации частицы.

Газовый разряд – процесс прохождения электрического тока через газ.

Несамостоятельный разряд – электрический ток в газе, возникающий при наличии внешнего ионизатора.

Самостоятельный разряд – электрический ток в газе, который продолжается после прекращается действия внешнего ионизатора.

Тлеющий разряд – один из видов самостоятельного электрического разряда в газах, формирующийся, как правило, при низком давлении газа и малом токе.

Дуговой разряд – один из видов самостоятельного электрического разряда в газах, горящий практически при любых давлениях газа и отличающийся высокой плотностью тока на катоде и низким катодным падением потенциала.

Коронный разряд – один из видов самостоятельного электрического разряда в газах достаточной плотности, возникающий в резко неоднородном электрическом поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (острия, провода).

Искровой разряд – один из видов самостоятельного электрического разряда в газах, возникающий обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождающийся характерным звуковым эффектом — "треском" искры.

Эмиссия – явление испускания электронов поверхностью металла.

Работа выхода – наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из металла в вакуум.

Ток насыщения – некое значение тока, по достижении которого, величина тока уже не меняется, несмотря на изменение напряжения (напряженности электрического поля).

8.1. Ионизация и электропроводность газов.

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом. В металлах и электролитах носители тока существуют всегда, независимо от процессов, связанных с прохождением тока; электрическое поле лишь обусловливает упорядоченное движение имеющихся зарядов. Газы в нормальном состоянии являются изоляторами, носители тока в них отсутствуют. Проводниками электричества могут быть только ионизованные газы. Помимо нейтральных молекул и атомов в ионизованных газах содержатся заряженные частицы: электроны, положительные и отрицательные ионы.

Носители тока в газах могут возникать в результате внешних воздействий, не связанных с наличием электрического поля. В этом случае говорят о несамостоятельной проводимости газа. Несамостоятельный разряд может быть вызван нагреванием газа до высокой температуры, воздействием ультрафиолетовых или рентгеновских лучей, воздействием излучения радиоактивных веществ, бомбардировкой молекул газа быстро движущимися электронами или ионами и т. д.). Если напряженность поля не велика, то несамостоятельный разряд прекращается, как только перестает действовать внешний фактор ионизации.

Если носители тока возникают в результате тех процессов в газе, которые обусловлены приложенным к газу электрическим полем, проводимость и разряд называются самостоятельными. Отметим, что поле может вызвать ионизацию, в результате которой газ становится проводником, только если его напряженность достаточно велика.

Во всех этих случаях происходит вырывание из электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов. Этот процесс называется ионизацией. Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы). Эта работа называется работой ионизации A_i. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле. Наиболее слабо связаны с ядром внешние (валентные) электроны атома, поэтому для удаления из атома валентного электрона нужно затратить меньшую работу, чем для вырывания любого другого электрона.

Работу ионизации можно характеризовать с помощью потенциала ионизации. Потенциалом ионизации _i называется та разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы увеличение его энергии было равно работе ионизации:

.

Рассмотрим подробнее процесс ионизации газа под действием движущихся электронов или ионов, получивший название ударной ионизации. Кинетическая энергия заряженной частицы (электрона или иона), прошедшей в ускоряющем электрическом поле разность потенциалов , , где q – заряд частицы. В дальнейшем будем считать, что все ионы одновалентны, т.е. и

.

Если масса частицы m, то ее скорость v равна

.

Для простоты рассмотрим одноатомный газ. При столкновении частицы с нейтральным атомом газа она передает ему часть своей энергии. Если кинетическая энергия частицы сравнительно мала, то, как показывают опыты, ее соударение с атомом носит характер упругого удара. Энергия, сообщаемая при этом атому, недостаточна для его ионизации. Поэтому бомбардировка атомов газа частицами, обладающими малой энергией, вызывает лишь нагревание газа.

Совершенно иначе происходят соударения с атомами газа частиц, кинетическая энергия которых достаточно велика. В этом случае, как показывают опыты, соударения становятся неупругими и вызывают возбуждение атомов газа, т. е. перевод атома с нормального энергетического уровня на более высокий, или даже ионизацию атомов. Оценим минимальное значение кинетической энергии, которой должна обладать частица для того, чтобы вызвать ударную ионизацию газа. Скорость теплового движения молекул во много раз меньше скорости ионизирующей частицы. Поэтому можно считать, что до удара атом неподвижен. Из закона сохранения импульса при неупругом ударе имеем

,

где М – масса атома, u – скорость частицы и атома после удара. При этом приближенно считаем, что скорость электрона, выбитого из атома, тоже равна u. Начальная кинетическая энергия частицы расходуется при ударе на работу ионизации A_i и сообщение частице и атому кинетической энергии, соответствующей их скорости и после удара:

.

Заменив скорость и ее выражением, найденным из закона сохранения импульса, получим

.

Т. о., минимальная кинетическая энергия, которой должна обладать частица для осуществления ударной ионизации атома газа, не может быть меньше работы ионизации A_i и будет тем ближе к A_i, чем меньше масса частицы по сравнению с массой атома. Для электрона эта энергия меньше, чем для любого иона. Из последней формулы видно, что в одном и том же ускоряющем электрическом поле электрон и одновалентный ион приобретают одинаковую кинетическую энергию. Поэтому для осуществления ударной ионизации ионы должны пройти в ускоряющем электрическом поле большую разность потенциалов, чем электроны. Работа, необходимая для возбуждения атома, меньше работы ионизации. Следовательно, неупругие соударения частиц с атомами газа возможны и при энергии частиц, меньшей той, которая соответствует последней формуле.

Процесс соударения электронов или ионов с молекулами, состоящими из двух и большего числа атомов, качественно подобен рассмотренному нами процессу их соударения с молекулами одноатомных газов. Однако в этом случае следует учитывать, что возбуждение двухатомной и более сложной молекулы может состоять в увеличении не только энергии ее электронов, но и энергии колебаний ядер атомов и энергии вращательного движения молекулы.

Итак, ионизация приводит к освобождению электронов и образованию положительных ионов. Освободившиеся электроны могут присоединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы. Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества.

После прекращения действия ионизатора положительные и отрицательные ионы газа соединяются между собой с образованием нейтральных молекул и атомов. Этот процесс называется рекомбинацией. В результате рекомбинации проводимость газа пропадает или, во всяком случае, возвращается к своему исходному значению. Проводимость спадает не сразу, а постепенно, так как для полной рекомбинации ионов газа требуется конечное время.

8.2. Несамостоятельный разряд.

Пусть газ, находящийся между плоскими параллельными электродами, подвергается непрерывному постоянному по интенсивности воздействию какого-либо ионизирующего агента (например, рентгеновских лучей). Действие ионизатора приводит к тому, что от некоторых молекул газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего эти молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. При не очень низких давлениях отщепившиеся электроны обычно захватываются нейтральными молекулами, которые таким образом становятся отрицательно заряженными ионами. Число пар ионов, возникающих под действием ионизатора за секунду в единице объема, обозначим через .

Наряду с процессом ионизации в газе будет происходить рекомбинация ионов. Количество рекомбинирующих за секунду в единице объема пар ионов обозначим через ; оно пропорционально квадрату числа имеющихся в единице объема пар ионов n:

(r – коэффициент пропорциональности).

В состоянии равновесия должно быть равно , т. е.

.

Под действием космического излучения и следов радиоактивных веществ, имеющихся в земной коре, в атмосферном воздухе возникает ежесекундно в среднем несколько пар ионов в 1 см³. Равновесная концентрация ионов составляет примерно 10³ см^–3. Эта концентрация недостаточна для того, чтобы обусловить заметную проводимость. Чистый сухой воздух, как известно, является очень хорошим изолятором.

Если подать напряжение на электроды, то убыль ионов будет происходить не только вследствие рекомбинации, но и за счет отсасывания ионов полем к электродам. Пусть из единицы объема отсасывается ежесекундно пар ионов. Если заряд каждого иона е, то нейтрализация на электродах одной пары ионов сопровождается переносом по цепи заряда, равного е. Каждую секунду электродов достигают пар ионов (S – площадь электродов, l – расстояние между ними; Sl равно объему межэлектродного пространства). Следовательно, сила тока в цепи равна:

;

откуда

,

где j – плотность тока.

При наличии тока условие равновесия должно быть записано следующим образом:

или

.

Вместе с тем для плотности тока может быть написано выражение, аналогичное выражению для электролитов:

,

где b⁺ и b^– – подвижности положительных и отрицательных ионов. В этом выражении n является функцией j, т. е. в конечном счете функцией Е.

Исключив n из последних двух выражений и решив получающееся квадратное уравнение, можно найти зависимость j(E) (приводить которую здесь не будем ввиду ее сложности).

В случае слабых полей формула для j имеет вид

.

Множитель при Е в данной формуле не зависит от напряженности поля. Следовательно, в случае слабых полей несамостоятельный газовый разряд подчиняется закону Ома.

В случае сильных полей формула для j имеет вид

.

Плотность тока в данном случае создается всеми ионами, порождаемыми ионизатором в заключенном между электродами столбе газа с единичным поперечным сечением. Следовательно, эта плотность тока является наибольшей при данной интенсивности ионизатора и величине межэлектродного промежутка l. Ее называют плотностью тока насыщения j_нас.

Если рассчитать плотность тока насыщения j_нас при обычных условиях, то можно показать, проводимость воздуха будет очень малой величиной.

Найденная зависимость j(E) изображена на рисунке (сплошная кривая). При достаточно больших значениях напряженности поля ток начинает резко возрастать (см. пунктирный участок кривой). Это объясняется тем, что порождаемые внешним ионизатором электроны за время свободного пробега успевают приобрести энергию, достаточную для того, чтобы, столкнувшись с молекулой, вызвать ее ионизацию (ионизация ударом). Возникшие при этом свободные электроны, разогнавшись, в свою очередь вызывают ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока. Однако процесс не утрачивает характера несамостоятельного разряда, так как после прекращения действия внешнего ионизатора разряд продолжается только до тех пор, пока все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода (задняя граница пространства, в котором имеются ионизирующие частицы – электроны, перемещается к аноду).

На использовании несамостоятельного газового разряда основано действие ионизационных камер и счетчиков – приборов, применяемых для обнаружения и счета ядерных частиц, а также для измерения интенсивности рентгеновского и гамма-излучения.

8.3. Самостоятельный разряд.

Для того чтобы газовый разряд стал самостоятельным, необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Т. к. основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа, то необходимо наличие двух встречных лавин ионов, что возможно только в том случае, когда ионизацию ударом способны вызвать носители обоих знаков.

В случае, если напряженность электрического поля E между электродами столь велико, что положительные ионы также приобретают способность порождать вторичные электроны. В этом случае образуется двусторонняя лавина электронов и положительных ионов, возникающих во всех частях объема газа. Теперь внешний ионизатор уже не играет практически никакой роли в осуществлении газового разряда, так как число создаваемых им первичных электронов и ионов ничтожно по сравнению с числом вторичных электронов и ионов, образующихся благодаря указанным выше процессам. Поэтому прекращение действия внешнего ионизатора никак не отражается на дальнейшем протекании газового разряда. Таким образом, при достаточно большом увеличении напряженности поля между электродами газоразрядной трубки несамостоятельный газовый разряд может перейти в самостоятельный. Этот переход называется электрическим пробоем газа, а соответствующая ему напряженность поля E_З – напряженностью зажигания или напряженностью пробоя.

Самостоятельный разряд принимает разнообразные формы в зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи. Кратко рассмотрим основных виды самостоятельного разряда.

1) Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке длиной около 0,5 м, с впаянными у концов плоскими металлическими электродами. На электроды подается напряжение порядка 1000 В. При атмосферном давлении ток через трубку не течет. Если понижать давление в трубке, то примерно при 40 мм рт. ст. возникает разряд в виде светящегося извилистого тонкого шнура, соединяющего анод с катодом. По мере понижения давления шнур утолщается и приблизительно при 5 мм рт. ст. заполняет все сечение трубки – устанавливается тлеющий разряд. Цвет свечения будет зависеть от химической природы газа.

Основные процессы, необходимые для поддержания тлеющего разряда, происходят в его катодной части. Остальные части разряда не существенны, они могут даже отсутствовать (при малом расстоянии между электродами или при низком давлении). Основных процессов два. Это – вторичная электронная эмиссия из катода, обусловленная бомбардировкой его положительными ионами, и ударная ионизация электронами молекул газа.

Явление тлеющего разряда применяется в газосветных трубках, наполненных разреженным гелием или неоном и светящихся при прохождении через них слабого тока при высоком напряжении. Такие трубки широко применяются для различных уличных надписей и реклам, для сигнализации на аэродромах (неоновые маяки), в качестве ламп дневного света.

Тлеющий разряд применяется и для создания электровакуумных приборов – выпрямителей, тиратронов, стабилотронов и др.

2) Дуговой разряд начинается с соприкосновения угольных или металлических электродов. Вследствие большого сопротивления их контакта электроды раскаляются, и с катода начинается электронная эмиссия. Воздушный промежуток между электродами сильно ионизируется высокой температурой и приобретает малое сопротивление. Поэтому после разведения электродов даже при небольшой разности потенциалов возникает большой ток (десятки, сотни ампер и больше). Электроны, бомбардируя анод, выбивают в нем углубление (кратер). При атмосферном давлении температура кратера достигает 4000С, а при повышенном давлении – даже около 6000С (температура поверхности Солнца). Основная часть света дуги исходит именно из кратера анода.

Явление дугового разряда используется в электросварке. При таком способе соединения металлов, металлический электрод, создающий дугу, сам плавился, сваривая металлические швы.

При пониженных давлениях ионизованный газ в дуге остается холодным, как в случае тлеющего разряда. Такая холодная дуга горит в парах ртути над поверхностью жидкой ртути в ртутных выпрямителях и кварцевых лампах.

Дуга использовалась в свече Яблочкова, являвшейся первым электрическим источником света. В дальнейшем ее вытеснила лампа накаливания. Однако в наиболее мощных прожекторах в качестве источника света по-прежнему служит электрическая дуга.

Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, получения карбида кальция, окиси азота и т. д.

3) Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (например, около остриев или проводов линий высокого напряжения). При коронном разряде ионизация газа и его свечение происходят лишь вблизи коронирующих электродов. В случае коронирования катода (отрицательная корона) электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа, выбиваются из катода при бомбардировке его положительными ионами. Если коронирует анод (положительная корона), то рождение электронов происходит вследствие фотоионизации газа вблизи анода. Корона – вредное явление, сопровождающееся утечкой тока и потерей электрической энергии. Для уменьшения коронирования увеличивают радиус кривизны проводников, а их поверхность делают возможно более гладкой. При достаточно высоком напряжении между электродами коронный разряд переходит в искровой.

4) Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных разветвляющихся нитей-каналов, которые пронизывают разрядный промежуток и исчезают, сменяясь новыми. Исследования показали, что каналы искрового разряда начинают расти иногда от положительного электрода, иногда от отрицательного, а иногда и от какой-либо точки между электродами. Это объясняется тем, что ионизация ударом в случае искрового разряда происходит не по всему объему газа, а по отдельным каналам, проходящим в тех местах, в которых концентрация ионов случайно оказалась наибольшей. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском или громом. Все эти явления вызываются электронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах и приводят к огромному увеличению давления, достигающему 10⁷ – 10⁸ Па, и повышению температуры до 10 000°С.

Характерным примером искрового разряда является молния. Главный канал молнии имеет диаметр от 10 до 25 см, а длина молнии может достигать нескольких километров. Максимальная сила тока импульса молнии достигает десятков и сотен тысяч ампер.

8.4. Электрический ток в вакууме.

Под вакуумом понимают такую степень разрежения газа в сосуде, при которой длина свободного пробега молекулы в сосуде становится больше линейных размеров сосуда и соударениями между молекулами газа можно пренебречь. При такой степени разрежения самостоятельного газового разряда происходить не может. Чтобы в вакуумной трубке, имеющей два электрода – катод и анод, – протекал электрический ток, необходимо каким-либо способом внести туда заряженные частицы.

Существует несколько способов сообщения электронам дополнительной энергии, необходимой для удаления их из металла: нагревание, облучение видимым или ультрафиолетовым светом, воздействие сильного внешнего поля, бомбардировка металлов частицами. Под воздействием этих факторов может происходить явление электронной эмиссии.

В различных электронных приборах применяются все виды эмиссии, но чаще всего используется наиболее удобно управляемая термоэлектронная эмиссия.

Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми металлами.

Явление термоэлектронной эмиссии объясняется тем, что вследствие распределения по энергиям имеется некоторое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть работу выхода из металла (Работой выхода называется наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из металла в вакуум). При повышении температуры количество таких электронов резко возрастает и делается вполне заметным.

Исследование термоэлектронной эмиссии удобно производить с помощью двухэлектродной лампы, называемой также вакуумным диодом. Она представляет собой хорошо откачанный металлический или стеклянный баллон, внутри которого имеются два электрода – катод К и анод А. Конструктивно электроды могут быть выполнены разными способами. В простейшем случае катод имеет форму тонкой прямой нити, анод – коаксиального с ней цилиндра.

Если установить постоянный накал катода и снять зависимость силы анодного тока i_a от анодного напряжения U_a, то получается кривая, изображенная на рисунке (различные кривые соответствуют разным температурам катода). Эта кривая называется вольт-амперной характеристикой.

При U_a = 0 вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд – электронное облако. Это облако отталкивает вылетающие из катода электроны и большую часть их возвращает обратно. Все же небольшому числу электронов удается долететь до анода, в результате чего в анодной цепи будет течь слабый ток. Чтобы полностью прекратить попадание на анод электронов, т. е. сделать i_a равным нулю, необходимо приложить между катодом и анодом некоторое отрицательное напряжение. Следовательно, вольт-амперная характеристика диода начинается не в нуле, а немного левее начала координат.

При малых положительных значениях сила анодного тока изменяется пропорционально U_a^3/2 . Теоретически эта зависимость была получена Ленгмюром и Богуславским и называется законом трех вторых.

По мере роста U_a все большее число электронов отсасывается электрическим полем к аноду и, наконец, при определенном значении U_a электронное облако полностью рассасывается и все вылетевшие из катода электроны получают возможность достигнуть анода. Дальнейший рост U_a не может увеличить силу анодного тока – ток достигает насыщения.

Очевидно, что именно ток насыщения характеризует термоэлектронную эмиссию. Зависимость плотности тока насыщения от температуры задается формулой (график данной зависимости показан на рисунке):

где А_вых – работа выхода, В – не зависящая от рода металла константа.

Как следует из данной формулы, уменьшение А_вых повышает эмиссию (легко убедиться в том, что при 1160 К, т. е. при kT = 0,10 эВ, уменьшение А_вых от 3 до 1 эВ приводит к возрастанию j_нас почти в 510⁸ раз). Поэтому при изготовлении электронных ламп применяются специальные покрытия и способы обработки катодов, приводящие к снижению работы выхода. Современные так называемые оксидные катоды, изготовляемые из никеля, покрытого окисью бария или стронция, имеют работу выхода порядка 1,0 – 1,2 эВ.

Термоэлектронная эмиссия получила наиболее широкую область применения в электронных лампах, которые имеют разнообразное радиотехническое назначение и различное устройство, но вместе с тем имеют одну общую черту. А именно, в электронных лампах в отличие от других термоэлектронных приборов так размещают электроды, чтобы создаваемое ими поле, налагаясь на поле пространственного заряда (облака электронов у поверхности накаленного катода), позволяло бы при небольших изменениях напряжения, подводимого к вспомогательным электродам, получать резкие и возможно большие изменения величины термоэлектронного тока, проходящего через лампу. С этой целью аноды и дополнительные сетчатые электроды электронных ламп устраивают обычно в виде коаксиальных цилиндров строго рассчитанных размеров и помещают накаливаемый катод по оси цилиндра.

Электронные лампы массово использовались в ХХ веке как активные элементы электронной аппаратуры (усилители, генераторы, детекторы, переключатели и т. п.). В настоящее время практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами. Тем не менее, остались еще области, в которых применяются электронные лампы.

1) Одно из важных применений термоэлектронной эмиссии – «электронная пушка», служащая для получения электронного луча в катодных осциллографах. В электронной пушке электроны, испускаемые накаленным катодом, получают значительное ускорение в электрическом поле между катодом и кольцевыми анодами. Этот метод ускорения электронного потока применяется во многих электронных приборах и, в частности, в высоковольтных (на миллионы вольт) электронных трубках, предназначенных для атомно-ядерных исследований.

2) Высокочастотная и высоковольтная мощная техника.

В мощных радиовещательных передатчиках (от 100 Вт до единиц мегаватт) в выходных каскадах применяются мощные и сверхмощные лампы с воздушным или водяным охлаждением анода и высоким (более 100 А) током накала. Магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны обеспечивают сочетание высоких частот, мощностей и приемлемой стоимости (а зачастую другая элементная база в принципе неосуществима).

Магнетрон можно встретить не только в радаре, но и в любой микроволновой печи.

Высоковольтные (на миллионы вольт) электронные трубки, предназначенные для атомно-ядерных исследований, используют для значительного ускорения электронов, испускаемых раскаленным катодом.

При необходимости выпрямления или быстрой коммутации значительного тока, которую невозможно осуществлять механическими ключами, необходимо использовать радиолампы. Так, кенотрон обеспечивает приемлемую динамику на напряжениях до миллиона вольт.

3) Военная промышленность.

Из-за принципа действия электронные лампы являются устройствами, значительно более устойчивыми к таким поражающим факторам, как электромагнитный импульс. В единственном устройстве может быть несколько сотен ламп. В СССР для применения в бортовой военной аппаратуре в 1950-е годы были разработаны стержневые лампы, отличавшиеся малыми размерами и большой механической прочностью.

4) Космическая техника.

Радиационная деградация полупроводниковых материалов и наличие естественного вакуума межпланетной среды делает применение некоторых типов ламп средством повышения надёжности и долговечности космических аппаратов. Применение в АМС Луна-3 транзисторов было связано с большим риском.

5) Повышенная температура среды и радиация.

Ламповое оборудование может быть рассчитано на больший температурный и радиационный диапазон условий, нежели полупроводниковое.

6) Звукотехническая аппаратура.

Электронные лампы до сих пор находят применение в звукотехнике, как любительской, так и профессиональной. Конструирование ламповых звукотехнических устройств является одним из направлений современного радиолюбительского движения.

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем состоит ионизация газа и чем она может быть вызвана?

2. Что называется работой ионизации и потенциалом ионизации и от чего они зависят?

3. Одинаковые ли разности потенциалов должны пройти в ускоряющем электрическом поле электроны и ионы, чтобы приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации молекул одного и того же газа?

4. Изложите сущность физических процессов, происходящих при несамостоятельном газовом разряде. Чем объясняется существование тока насыщения?

5. В чем отличие самостоятельного газового разряда от несамостоятельного и каково необходимое условие его существования?

6. Перечислите известные вам типы самостоятельных газовых разрядов. В чем состоят их особенности? Где они применяются?

7. Что называется работой выхода электрона из металла?

8. В чем состоит явление термоэлектронной эмиссии? Объясните зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бутиков Е. И., Кондратьев А. С. Физика для углубленного изучения, т. 2. Электродинамика. Оптика. М., 2004 г.

2. Васильев А. Э. Курс общей физики. Электричество и магнетизм. СПб., 2003 г.

3. Гершензон Е. М., Малов Н. Н., Мансуров А. Н. Электродинамика. М., 2002 г.

4. Калашников С. Г. Электричество. М., 2003 г.

5. Огурцов А. Н. Лекции по физике. Электричество. М., 2004 г.

6. Ревинская О.Г., Кравченко Н. С. Электростатическое поле. Томск, 2014 г.

7. Дмитриева В. Ф. Физика. М., 2005 г.